量子计算界迎来重磅突破！耶鲁大学应用物理系的Benjamin L. Brock与Michel H. Devoret（现就职于加州大学圣巴巴拉分校物理系及谷歌量子人工智能）团队，在量子纠错领域取得了革命性进展。他们不仅首次在实验上验证了逻辑多能级量子系统（qudits，维度d > 2）的纠错能力，更通过戈特斯曼-基塔耶夫-普雷斯基尔（GKP）玻色子编码方案，成功实现了三能级量子比特（qutrit，d=3）和四能级量子比特（ququart，d=4）的纠错，增益分别高达1.82 ± 0.03和1.87 ± 0.03，一举超越了量子纠错的“盈亏平衡点”。这一突破性成果，使其跻身于少数几个在量子存储器量子纠错领域成功超越盈亏平衡点的实验之列。 这项研究独辟蹊径，开创性地提出一种借助谐振子所拥有的广阔希尔伯特空间，以实现硬件层面高效量子纠错的新颖方法。

量子计算机：脆弱量子态与纠错突围

量子计算机，这个听起来就充满未来感的名词，其实离我们并不遥远。它们利用量子力学的奇异特性，如叠加态和纠缠态，能够在某些特定任务上展现出远超经典计算机的能力。然而，量子计算机也有其难以克服的软肋——量子态的脆弱性。想象一下，你正在尝试用最精密的仪器绘制一幅绝美的画卷，但每当笔尖触碰画布，一阵微风就能让你的作品毁于一旦。在量子世界里，这种“微风”就是外部信号、热噪声以及其他环境扰动，它们足以让量子比特在完成有用计算前就丢失所有信息。在量子世界中，量子比特（qubit）是信息的基本单位，与经典比特只能表示0或1不同，量子比特可以同时处于0和1的叠加态。这种特性使得量子计算机在处理复杂问题时具有巨大的优势，但同时也带来了极大的挑战。因为任何微小的环境扰动都可能导致量子态的坍缩，使得计算结果变得毫无意义。

为了克服这一难题，科学家们提出了量子纠错（Quantum Error Correction, QEC）的概念。量子纠错就像是一位忠诚的守护神，它通过将量子信息编码成“逻辑态”，并在多个物理量子比特上冗余存储，来抵抗环境干扰对量子态的破坏。当某个物理量子比特发生错误时，纠错码能够检测并纠正这一错误，从而保证逻辑量子态的稳定性和可靠性。

然而，实现量子纠错并非易事。它要求量子系统不仅要有足够的希尔伯特空间维度来存储冗余信息，还要有高效的纠错协议来检测和纠正错误。

高维量子系统：量子计算的“新大陆”

传统的量子计算主要基于二能级量子系统，即量子比特。然而，量子比特并不是量子世界的唯一选择。事实上，许多物理系统都拥有多个能级，这些额外的能级为量子计算提供了新的可能性。科学家们开始将目光投向多能级量子系统（qudits），这些系统拥有d个能级（d > 2），因此被称为高维量子系统。高维量子系统相较于量子比特具有诸多优势。首先，它们提供了更大的希尔伯特空间维度，这意味着在相同的物理资源下，可以存储和处理更多的量子信息。其次，高维量子系统有助于实现更高效的魔法态蒸馏、量子门合成、算法编译等。此外，高维结构还有助于简化量子算法的设计，提高计算效率。然而，要充分利用高维量子系统的优势，就必须解决量子纠错这一难题。因为高维量子系统同样面临着量子态脆弱性的挑战，如果没有有效的纠错机制，它们同样无法在实际应用中发挥作用。

耶鲁大学的突破：高维量子系统的纠错之路

为了实现对高维量子态的纠错，耶鲁大学的研究团队选择了戈特斯曼-基塔耶夫-普雷斯基尔（Gottesman–Kitaev–Preskill, GKP）编码方案。GKP编码方案是一种基于玻色子编码的量子纠错方法，它通过将量子信息编码到振荡器的网格态中，实现了对量子态的有效保护。实验装置由一个与三维超导微波腔体色散耦合的钽（Tantalum）超导量子比特（transmon）组成。微波腔体中存在一个振荡器模式，用于存储逻辑GKP态。超导量子比特则作为辅助比特，用于控制振荡器模式并执行纠错操作。研究团队通过优化GKP编码方案，并引入强化学习算法，让 AI 代理自主调整实验中的 45 个参数，以最大化量子存储的保真度。这种无需物理建模的优化策略克服了传统校准方法的复杂性。结果显示，纠错性能在多轮循环中保持稳定，并实现了对逻辑三能级量子比特（qutrit，d=3）和四能级量子比特（ququart，d=4）的高效纠错。经过精心设计的实验和优化，研究团队成功实现了逻辑qutrit和ququart在保真度上超越盈亏平衡点的目标。纠错后的qutrit和ququart信息存储寿命分别比未纠错态延长了82%和87%，增益系数达到1.82和1.87，与现有最优纠错量子比特性能相当甚至更优。

▲a. 维度d∈{2, 3, 4}时，物理腔福克多能级量子比特与逻辑戈特斯曼-基塔耶夫-普雷斯基尔（GKP）多能级量子比特的有效寿命。箭头表示量子纠错（QEC）所带来的增益。b. 维度d∈{2, 3, 4}时，优化后GKP多能级量子比特的有效包络尺寸Δeff。c. 维度d∈{2, 3, 4}时，优化后GKP多能级量子比特在腔内的平均光子数。

高维量子系统纠错所蕴含的巨大潜力，无疑为未来量子计算机的发展开辟了崭新的思路与途径。随着相关研究不断向纵深推进，技术手段日益成熟完善，我们有充分的理由坚信，高维量子系统纠错技术必将在未来量子计算领域占据关键地位，成为推动量子科技全面进步与蓬勃发展的核心驱动力。

原文链接：https://www.nature.com/articles/s41586-025-08899-y

编译：sj

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